Gli ingegneri dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison hanno fatto una scoperta sorprendente che potrebbe migliorare notevolmente la durata dei dispositivi di raccolta dell'energia solare.

I risultati hanno permesso loro di ottenere la durata più lunga in assoluto per un componente chiave di alcuni tipi di celle fotovoltaiche chiamato elettrodo fotoelettrochimico, che utilizza la luce solare per dividere l'acqua nelle sue parti costitutive di idrogeno e ossigeno.

In un articolo pubblicato il 24 luglio, 2018, nella rivista di ricerca Nano lettere , un team guidato dal dottorato di ricerca in scienze e ingegneria dei materiali UW-Madison. studente Yanhao Yu e il suo consigliere, Professor Xudong Wang, ha descritto una strategia che ha esteso la durata di un elettrodo fotochimico a ben 500 ore, più di cinque volte la durata tipica di 80 ore.

Generalmente, questi tipi di elettrodi sono fatti di silicio, che spacca bene l'acqua, ma è altamente instabile e si degrada rapidamente quando viene a contatto con condizioni corrosive. Per proteggere questi elettrodi, gli ingegneri spesso rivestono le loro superfici in modo sottile.

È una tattica che ritarda solo la loro eventuale rottura, a volte dopo pochi giorni ea volte entro poche ore.

"Le prestazioni variano notevolmente e nessuno sa davvero perché. È una grande domanda, "dice Wang, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison.

intrigante, i ricercatori non hanno apportato alcuna modifica al materiale di rivestimento. Piuttosto, hanno aumentato la durata dell'elettrodo applicando un rivestimento di biossido di titanio ancora più sottile del solito.

In altre parole, meno era davvero di più.

La chiave di questa prestazione eccezionale è stata la scoperta del team sulla struttura atomica dei film sottili di biossido di titanio, che i ricercatori creano utilizzando una tecnica chiamata deposizione di strati atomici.

In precedenza, i ricercatori ritenevano che gli atomi nei film sottili di biossido di titanio adottassero una delle due conformazioni:o mescolati e disordinati in uno stato denominato "amorfo, " o bloccato in una disposizione che si ripete regolarmente e prevedibile chiamata forma cristallina.

In modo cruciale, i ricercatori erano certi che tutti gli atomi in un dato film sottile si comportassero allo stesso modo. Cristallino o amorfo. Nero o bianco. Nessuna via di mezzo.

Cosa hanno scoperto i colleghi di Wang, però, è un'area grigia:hanno visto che piccole sacche di uno stato intermedio persistevano nei rivestimenti finali:la struttura atomica in queste aree non era né amorfa né cristallina. Questi intermedi non sono mai stati osservati prima.

"Si tratta di un'avanguardia nella scienza della sintesi dei materiali, " dice Wang. "Pensiamo che la cristallizzazione non sia così semplice come la gente crede".

Osservare quegli intermedi non è stata un'impresa facile. Entra il collega di Wang, Paul Voyles, un esperto di microscopia che ha sfruttato le strutture uniche di UW-Madison per eseguire sofisticate misurazioni di microscopia elettronica a trasmissione a scansione, permettendogli di rilevare le minuscole strutture.

Da li, i ricercatori hanno determinato che quegli intermedi abbassavano la durata dei film sottili di biossido di titanio portando a picchi di corrente elettronica che mangiavano piccoli fori nei rivestimenti protettivi.

Eliminare questi intermedi, estendendo così la durata del rivestimento, è semplice come utilizzare una pellicola più sottile.

I film più sottili rendono più difficile la formazione di intermedi all'interno del film, quindi riducendo lo spessore di tre quarti (da 10 nanometri a 2,5), i ricercatori hanno creato rivestimenti che sono durati più di cinque volte di più rispetto ai rivestimenti tradizionali.

E ora che hanno scoperto queste strutture peculiari, i ricercatori vogliono saperne di più su come si formano e influenzano le proprietà del film amorfo. Questa è la conoscenza che potrebbe rivelare altre strategie per eliminarli, che non solo potrebbero migliorare le prestazioni, dice Wang, ma aprono anche nuove opportunità in altri sistemi legati all'energia, come catalizzatori, celle solari e batterie.

"Questi intermedi potrebbero essere qualcosa di molto importante che è stato trascurato, " dice Wang. "Potrebbero essere un aspetto critico che controlla le proprietà del film".